某超高層框架－核心筒結(jié)構(gòu)樓蓋舒適度分析

陳宜言，堯國(guó)皇

(深圳市市政設(shè)計(jì)研究院有限公司，廣東深圳518029)

1 工程概論

該工程建筑總高215 m(含出屋面結(jié)構(gòu))，共48層，第1層層高為6.0 m，第2～5層為5.2 m，設(shè)備層層高為4.5 m，標(biāo)準(zhǔn)層層高為4.1 m。建筑第1～2層主要為大堂空間(由于建筑功能的需要，在結(jié)構(gòu)首層存在跨層的框架柱)，第3～5層為商業(yè)用途，17層、33層為設(shè)備層，其他樓層為辦公室用途。結(jié)構(gòu)首層核心筒尺寸為19.2 m×22.15 m，核心筒高寬比為215.0/19.2=11.2。工程的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)基準(zhǔn)期為50年，建筑場(chǎng)地類別為II類，安全等級(jí)為二級(jí)，抗震設(shè)防烈度為7度，場(chǎng)地特征周期為0.45 s，基本地震加速度為0.15g，抗震設(shè)防類別為丙類，設(shè)計(jì)地震分組為一組。塔樓平面為方形，其標(biāo)準(zhǔn)層的平面圖如圖1所示。

該結(jié)構(gòu)為稀柱框架－鋼筋混凝土核心筒結(jié)構(gòu)體系，底部若干層采用鋼管混凝土柱，樓面梁采用鋼筋混凝土梁。由于外框架柱與核心筒之間的距離較大(接近12 m)，受業(yè)主委托，對(duì)該結(jié)構(gòu)進(jìn)行豎向荷載作用下的樓蓋舒適度研究，主要包括人跳躍荷載和人行荷載。本文利用SAP 2000［1］建立了整體結(jié)構(gòu)分析模型，用shell單元模擬樓板、剪力墻及洞口上方的連梁，用frame單元模擬梁和柱，圖2所示為結(jié)構(gòu)分析模型。

圖1 結(jié)構(gòu)標(biāo)準(zhǔn)層平面圖

文獻(xiàn)［2］對(duì)樓蓋的舒適度問(wèn)題進(jìn)行了相關(guān)的論述，并采用簡(jiǎn)化計(jì)算方法對(duì)鋼結(jié)構(gòu)和混凝土結(jié)構(gòu)的樓蓋舒適度進(jìn)行了計(jì)算，文獻(xiàn)［3］在 ATC Design Guide規(guī)程［4］的基礎(chǔ)上對(duì)深圳華僑城創(chuàng)意中心結(jié)構(gòu)進(jìn)行了舒適度評(píng)價(jià)和分析，得到了較好的分析結(jié)果。本文在以往的分析研究成果基礎(chǔ)上對(duì)該稀柱框架－鋼筋混凝土核心筒結(jié)構(gòu)樓蓋進(jìn)行人跳躍荷載和人行荷載下的樓蓋舒適度計(jì)算，以期獲得一些有用的結(jié)論。

2 舒適度評(píng)價(jià)指標(biāo)

樓板的振動(dòng)，一般是由人們行走、舞蹈、運(yùn)動(dòng)或機(jī)械車輛設(shè)備運(yùn)行等產(chǎn)生。有關(guān)樓板振動(dòng)對(duì)人們生活工作舒適度的影響，國(guó)內(nèi)研究較少，美國(guó)、日本、歐洲等一些國(guó)家對(duì)此進(jìn)行過(guò)一些研究并發(fā)布過(guò)有關(guān)設(shè)計(jì)指南，本工程主要參考國(guó)外規(guī)范和控制指標(biāo)計(jì)算［2～4］。

圖2 分析模型

樓蓋振動(dòng)過(guò)大將影響人們的生活工作。樓蓋振動(dòng)限制取決于人對(duì)振動(dòng)的感覺(jué)。人對(duì)樓蓋振動(dòng)的感覺(jué)取決于樓蓋振動(dòng)的大小和持續(xù)時(shí)間，取決于人所處的環(huán)境和人所從事的活動(dòng)，取決于人的生理反應(yīng)。不同環(huán)境、不同振動(dòng)頻率下人們舒適度可接受的樓蓋振動(dòng)峰值加速度如圖3所示［4］。

現(xiàn)行的對(duì)樓蓋舒適度的計(jì)算方法一般有兩種［3］:(1)對(duì)整體模型采用軟件計(jì)算出樓板的豎向振動(dòng)頻率，其不足是各樓層容易相互影響，同一樓層各部分樓板也容易相互影響，因而難以區(qū)分所求樓板的真實(shí)振動(dòng)頻率，同時(shí)用此法所得的頻率計(jì)算加速度響應(yīng)只反映了第1豎向陣型的影響，沒(méi)有考慮高階陣型的影響;(2)根據(jù)荷載分布，通過(guò)簡(jiǎn)化計(jì)算公式求出豎向振動(dòng)頻率，其缺點(diǎn)在于不能反映荷載的動(dòng)力特性。

圖3 舒適度可接受的樓蓋振動(dòng)峰值加速度［4］

3 荷載輸入?yún)?shù)

3.1 人跳躍波

激勵(lì)頻率范圍:1.55～3.04 Hz，間隔0.5 Hz。單人跳躍動(dòng)力荷載取值為3 kN=激勵(lì)系數(shù)4×0.75 kN(近似單人重量)。

3.2 人行走時(shí)程

激勵(lì)頻率范圍:1.2～4 Hz，間隔0.4 Hz，單人行走動(dòng)力荷載取值=激勵(lì)系數(shù)×0.75 kN(近似單人重量)，激勵(lì)系數(shù)隨行走頻率增大而增大。

圖4給出了典型的人跳躍荷載和人行荷載時(shí)程曲線。

圖4 典型的人跳躍荷載和人行荷載時(shí)程

4 計(jì)算結(jié)果

計(jì)算時(shí)，分兩種荷載工況計(jì)算。(1)工況一:分低區(qū)、中區(qū)和高區(qū)，選擇典型激勵(lì)點(diǎn)施加單人跳躍動(dòng)力荷載;(2)工況二:選擇所有樓層的部分節(jié)點(diǎn)同時(shí)施加單人行走動(dòng)力荷載，每層48個(gè)激勵(lì)點(diǎn)，設(shè)備層除外，全樓共計(jì)46層。以下以工況二的計(jì)算結(jié)果為例來(lái)分析稀柱框架－鋼筋混凝土核心筒結(jié)構(gòu)樓蓋舒適度。

表1 各控制點(diǎn)豎向加速度峰值(×10－3m/s2)

表1給出了各控制點(diǎn)的豎向加速度峰值。圖5給出了最不利點(diǎn)6110在最不利激勵(lì)2.4 Hz激勵(lì)下的加速度響應(yīng)。

通過(guò)對(duì)表1和圖5的計(jì)算結(jié)果分析可知:(1)結(jié)構(gòu)樓層共振發(fā)生在2.4 Hz左右;(2)加速度響應(yīng)大小規(guī)律為下部樓層＜中部樓層＜上部樓層;(3)在極端不利情況下，下部樓層最大加速度31×10－3m/s2，參考美國(guó)ATC(Applied Technology Council)1999年發(fā)布的《減小樓板振動(dòng)》設(shè)計(jì)指南，滿足住宅、辦公、酒店類型建筑樓蓋舒適度允許的最大豎向振動(dòng)加速度0.07 m/s2，可見本工程樓蓋滿足舒適度要求。

5 結(jié)論

通過(guò)采用結(jié)構(gòu)分析軟件SAP 2000，對(duì)某框架－核心筒結(jié)構(gòu)樓蓋舒適度進(jìn)行計(jì)算和分析，可以得到如下初步結(jié)論:

圖5 最不利點(diǎn)6110在最不利激勵(lì)2.4 HZ激勵(lì)下的加速度響應(yīng)

(1)通過(guò)施加人跳躍荷載和人行荷載時(shí)程激勵(lì)，可較準(zhǔn)確地得到樓蓋一定區(qū)域的豎向共振頻率和對(duì)應(yīng)的峰值加速度，再根據(jù)美國(guó)ATC 1999年發(fā)布的《減小樓板振動(dòng)》設(shè)計(jì)指南可評(píng)價(jià)樓蓋的舒適度;

(2)對(duì)于與本文類似的采用鋼筋混凝土核心筒和鋼筋混凝土框架的超高層結(jié)構(gòu)，較易滿足樓蓋的舒適度要求。

［1］北京金土木軟件技術(shù)有限公司，中國(guó)建筑標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)研究院.SAP 2000中文版使用指南［M］.人民交通出版社，2006

［2］徐培福，傅學(xué)怡，王翠坤，等.復(fù)雜高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)［M］.北京:中國(guó)建筑工業(yè)出版社，2005

［3］吳國(guó)勤，傅學(xué)怡，施永芒，等.華僑城創(chuàng)意展示中心樓蓋舒適度分析［J］.廣東土木與建筑，2009(10)

［4］ATC Design Guide 1，Minimizing Floor Vibration，Applied Technology Council，1999